混凝土桥梁裂缝的研究及处理办法

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混凝土桥梁裂缝的研究及处理办法摘要：混凝土桥梁的裂缝问题一直是困扰人们的难题，本文分析了混凝土桥梁的成因，以及处理办法。关键词：桥梁裂缝；成因；处理办法一、混凝土桥梁裂缝成因就其产生原因可以分为以下几种1、荷载引起的裂缝混凝土桥梁在常规静、动荷载以及次应力下产生的裂缝，称为荷载裂缝，荷载裂缝特征根据荷载的不同而呈现出不同的特点。这类裂缝多出现在受拉区、受剪区。但必须指出，如果受压区出现起皮或者有沿受压方向的断裂缝，往往是结构达到承载力极限的标志，是结构破坏的前兆，其原因多是结截面尺寸偏小。1:直接应力裂缝直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力超过了《桥规》的规定值后产生的裂缝，这类裂缝一般是沿着直接应力的方向产生。裂缝产生的原因一般有以下几种：①计计算阶段，结构计算时不计算或部分漏算；计算模型不合理；结构受力假设与实际受力不符：荷载少算或漏算；内力与配筋计算错误：结构安全系数不够。结构设计时不考虑施工的可能性：设计断面不足：钢筋设置偏少或设置错误；结构刚度不足；构造处理不当；设计图纸交代不清等。②施工阶段，不加限制地堆放施工机具、材料；不了解预制结构受力特点，随意将材料翻身、起吊、运输、安装；不按设计图纸施工，擅自更改结构施工顺序，改变结构受力模式；不对结构做机器振动下的疲劳强度验算等。③使用阶段，超出设计载荷的重型车辆过桥；受车辆、船舶的接触、撞击；发生大风、大雪、地震、爆炸等。2:次应力裂缝。次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生裂缝。裂缝产生的原因有：①在设计外荷载作用下，由于结构物的实际工作状态同常规计算有出入或计算时没有考虑，从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。例如两铰拱桥拱脚设计时常采用布置“ｘ”，形钢筋、同时削减该处断面尺寸的办法设计铰，理论计算该处不会存在弯矩，但实际仍然能够抗弯，以至出现裂缝而导致钢筋锈蚀。②桥梁结构中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等，在常规计算中难以用准确的图式进行模拟计算，一般根据经验设置受力钢筋。研究表明，受力构件挖孔后，将产生绕射现象，在孔洞附近密集，产生巨大的应力集中。在长跨预应力混凝土连续梁中，经常在跨区内根据截面内力需要截断钢束，设置锚头，而在锚固断面附近经常可以看到裂缝。因此，若处理不当，在这些结构的转角处或构件形状突变处、受力钢筋截断处容易出现裂缝。实际工程中，次应力裂缝是产生荷载裂缝的 常见原因。次应力裂缝多届张拉、劈裂、剪切性质。次应力裂缝也是由荷载引起，仅按常规一般不计算，但随着现代计算手段的不断完善，次应力裂缝也是可以做到合理验算的。例如现在对预应力、徐变等产生的二次应力，不少平面杆系有限元程序均可正确计算。在设计上，应注意避免结构突变（或断面突变），当不能回避时，应做局部处理，如转角处做成圆角，突变处做成渐变过渡，同时加强构造配筋，转角处增配斜向钢筋，对于较大孔洞有条件时可在周边设置护边角钢。2、变形引起的裂缝近年来大量裂缝的出现，并非与荷载作用有直接关系，通过大量的调查与实测研究证明，这种裂缝是由于变形作用引起，包括温度变形（水泥的水化热、气温变化、环境生产热），收缩变形（塑性收缩、干燥收缩、碳化收缩）及地基不均匀沉降（膨胀）变形等。由于这些变形是由于受到约束引起的应力超过混凝土的抗拉强度而导致的裂缝，所以统称“变形作用引起的裂缝”。钢筋混凝土桥梁结构变形裂缝的种类，就其产生的原因，大致可划分如下几种：（1）温度变化引起的裂缝混凝土具有热胀冷缩的性质，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝土将发生变形，若变形受到约束，则在结构内部将产生温度应力和温度应变。引起温度变化主要因素有：①年温差影响：一年中四季温度不断变化，但变化相对缓慢，对桥梁结构的影响主要是导致桥梁的纵向位移，一般可通过桥面伸缩缝、支座位移或设置柔性墩等构造措施来处理，只有结构的位移受到限制时才会引起温度裂缝，例如拱桥、刚架桥等。考虑到混凝土的蠕变特性，年温差内力计算时混凝土弹性模量应考虑折减。②日照影响：桥面板、主梁或桥墩侧面受太阳曝晒后，温度明显高于其它部位，温度梯度呈非线形分布。由于受到自身约束的作用，导致局部拉应力较大，出现裂缝。日照和下述骤然降温是导致结构温度裂缝的最常见原因。③骤然降温影响：突降大雨、冷空气侵袭、日落等可导致结构外表面温度突然下降，但因内部温度变化相对较慢而产生温度梯度。日照和骤然降温内力计算时可采用设计规范或参考实桥资料进行，混凝土弹性模量不考虑折减。④水化热影响：这种裂缝出现在施工过程中，大体积混凝土（厚度超过２．０ｍ）浇筑之后由于水泥水化放热，致使内部温度很高，内外温差太大，致使表面出现裂缝。施工中应根据实际情况，尽量选择水化热低的水泥品种，限制水泥单位用量，减少骨料入模温度，降低内外温差，并缓慢降温，必要时可采用循环冷却系统进行内部散热，或采用薄层连续浇筑以加快散热。⑤蒸汽养护或冬季施工时施工措施不当，混凝土骤冷骤热，内外温度不均，易出现裂缝。⑥预制Ｔ梁之间横隔板安装时，支座预埋钢板与调平钢板焊接时，若焊接措施不当，铁件附近混凝土容易烧伤开裂。采用电热张拉法，张拉预应力构件时，预应力钢材温度可升高至３５０４Ｃ，混凝土构件也容易开裂。试验研究表明，由火灾等原因引起高温烧伤的混凝土强度随温度的升高而明显降低，钢筋与混凝土的粘结力随之下降，混凝土温度达到３００℃后抗拉强度下降５０％，抗压强度下降６０％，光圆钢筋与混凝土的粘结力下降８０％；由于受热，混凝土体内游离水大量蒸发也可产生急剧收缩。（2）收缩引起的裂缝在实际工程中，混凝土因收缩所引起的裂缝是很常见的。在混凝土收缩的种类中，塑性收缩和缩水收缩（干缩）是发生混凝土体积变形的主要原因，另外还有自生收缩和炭化收缩。 ①塑性收缩：发生在施工过程中，混凝土浇筑后４～５小时左右。此时水泥水化反应激烈，分子链逐渐形成，出现水分急剧蒸发，混凝土失水收缩，同时骨料因自重下沉，因为此时混凝土尚未硬化，所以称为塑性收缩。塑性收缩所产生的量级很大，可达１％左右。在骨料下沉过程中若受到钢筋阻挡，便形成沿钢筋方向的裂缝。在构件竖向变截面处如Ｔ梁、箱梁腹板与顶底板交接处，因硬化前沉实不均匀，将发生表面的顺腹板方向裂缝。为减小混凝土塑性收缩，施工时应控制水灰比，避免过长时间的搅拌，下料不宣太快，振捣要密实，竖向变截面处宜分层浇筑。②缩水收缩（干缩）：混凝土结硬以后，随着表层水分逐步蒸发，湿度逐步降低，混凝土体积减小，称为缩水收缩（干缩）。因混凝土表层水分损失快，内部损失慢，因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩，表面收缩变形受到内部混凝土的约束，致使表面混凝土承受拉力，当表面混凝土承受拉力超过其抗拉强度时，便产生收缩裂缝。混凝土硬化后收缩就是缩水收缩。如配筋率较大的构件（超过３％），钢筋对混凝土收缩的约束比较明显，混凝土表面容易出现龟裂裂纹。③自生收缩：自生收缩是混凝土在硬化过程中，水泥与水发生水化反应，这种收缩与外界湿度无关，且可以是正的（即收缩，如普通硅酸盐混凝土），也可以是负的（即膨胀，如矿渣水泥混凝土与粉煤灰混凝士）。④炭化收缩：大气中的二氧化碳与水泥的水化物发生化学反应引起的收缩变形。炭化收缩只有在湿度大于５０％左右才能发生，且随二氧化碳的浓度的增加而加快。炭化收缩一般不做计算。混凝土收缩裂缝的特点是大部分属于表面裂缝，裂缝宽度较细，且纵横交错，成龟裂状，形状没有任何规律。（3）地基基础变形引起的裂缝由于基础竖向不均匀沉降或水平方向位移，使钢筋混凝土桥梁结构中产生附加应力，超出混凝土结构的抗拉能力，导致结构开裂。（4）钢筋锈蚀引起的裂缝在钢筋混凝土桥梁结构中，如果混凝土质量较差或保护层厚度不足，则混凝土保护层受二氧化碳侵蚀炭化至钢筋表面，使钢筋周围混凝土碱度降低，或由于氯化物介入，钢筋周围氯离子含量较高，都会引起钢筋表面氧化膜破坏，钢筋中铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反应，其锈蚀物氢氧化铁体积比原来增长约２～４倍，从而对周围混凝土产生膨胀力，导致保护层混凝土开裂、剥离，沿钢筋纵向产生裂缝，并有锈迹渗到混凝土表面。由于锈蚀，使得钢筋有效断面面积减小，钢筋与混凝土握裹力削弱，导致桥梁结构的承载力下降，并将诱发其它形式的裂缝，加剧钢筋锈蚀，导致结构破坏。要防止钢筋锈蚀，设计时应根据规范要求控制裂缝宽度、采用足够的保护层厚度（当然保护层亦不能太厚，否则构件有效高度减小，受力时将加大裂缝宽度）；施工时应控制混凝土的水灰比，加强振捣，保证混凝土的密实性，防止氧气侵入，同时严格控制含氯盐的外加剂用量，沿海地区或其它存在腐蚀性强的空气、地下水地区尤其应慎重。3、冻胀引起的裂缝 当大气温度低于零度时，吸水饱和的混凝土出现冰冻，游离的水转变成冰，体积膨胀９％，因而混凝土产生膨胀力；同时混凝土凝胶孔中的过冷水（结冰温度在．７８度以下）在微观结构中迁移和重分布引起渗透压，使混凝土中膨胀力加大，混凝土强度降低，并导致裂缝出现。尤其是混凝土初凝时受冻最严重，成龄后混凝土强度损失可达３０％～５０％。冬季施工时对预应力孔道灌浆后若不采取保温措施，也可能发生沿管道方向的冻胀裂缝。温度低于零度和混凝土吸水饱和是发生冻胀破坏的必要条件。当混凝土中骨料空隙多、吸水性强，骨料中含泥土等杂质过多，混凝土水灰比偏大、振捣不密实，养护不力使混凝土早期受冻等，均可能导致混凝土冻胀裂缝。冬季施工时，采用电气加热法、暖棚法、地下蓄热法、蒸汽加热法养护以及在混凝土拌和水中掺入防冻剂（但氯盐不宜使用），可保证混凝土在低温条件下硬化。4、配置材料质量引起的裂缝混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加剂组成。配置混凝土所采用材料质量不合格，可能导致结构出现裂缝。（1）水泥①水泥安定性不合格，水泥中游离的氧化钙含量超标。②水泥出厂时强度不足，水泥受潮或过期，可能使混凝土强度不足，从而导致混凝土开裂。。（2）砂、石骨料①砂石的粒径、级配、杂质含量砂石粒径太小、级配不良、空隙率大，将导致水泥和拌和水用量加大，影响混凝土的强度，使混凝土收缩加大，如果使用超出规定的特细砂，后果更严重。砂石中云母的含量较高，将削弱水泥与骨料的粘结力，降低混凝土强度砂石中含泥量高，不仅将造成水泥和拌和水用量加大，而且还降低混凝土强度和抗冻性、抗渗性。5、施工工艺及质量引起的裂缝在混凝土桥梁结构浇筑、构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装过程中，若施工工艺不合理、施工质量低劣，则容易产生级向的、横向的、斜向的、竖向的、水平的、表面的、深进的和贯穿的各种裂缝，特别是细长薄壁结构更容易出现。裂缝出现的部位和走向、裂缝宽度各异，比较常见的有：①混凝土保护层过厚，或乱踩己绑扎的上层钢筋，使承受负弯矩的受力筋保护层加厚，导致构件的有效高度减小，形成与受力钢筋垂直方向的裂缝。②混凝土振捣不密实、不均匀，出现蜂窝、麻面、空洞，导致钢筋锈蚀或其它荷载裂缝的起源点。③混凝土浇筑过快，混凝土流动性较低，在硬化前因混凝土沉实不足，硬化后沉实过大，容易在浇筑数小时后发生裂缝，既塑性收缩裂缝。④混凝土搅拌、运输时间过长，使水分蒸发过多，引起混凝土塌落度过低，使得混凝土出现不规则的收缩裂缝。⑤混凝土初期养护时急剧干燥，使得混凝土与大气接触的表面上出现不规则的收缩裂缝。⑥用泵送混凝土施工时，为保证混凝土的流动性，增加水和水泥用量，或因其它原因加大了水扶比，导致混凝土凝结硬化时收缩量增加，使得混凝土体表出现不规则裂缝。⑦混凝土分层或分段浇筑时，接头部位处理不好，易在新旧混凝土和施工缝之间出现裂缝。⑧混凝土早期受冻，使构件表面出现裂纹，或局部剥落，或脱模后出现空鼓现象。二、混凝土桥梁裂缝的治理办法1、表面封闭修补法（1）表面涂抹。通常是在 混凝土表面沿着宽度较小的裂缝涂抹树脂保护膜，在裂缝宽度有可能变动时，可以采用具有跟踪性的焦油环氧树脂等材料。在裂缝多且密集或者混凝土老化、砂浆离析的结构物上也可以大面积涂抹保护膜。（2）“V”形或“U”形槽口充填修补。在只有上述表面涂抹处理不能充分修补的场合，可以采用在混凝土表面沿裂缝凿出“V”形或“U”形槽口，然后用树脂砂浆充填修补。填补前要用钢丝刷清除凿后已经浮动的混凝土碎片，必要时可以先上底层涂料然后填充树脂砂浆。（3）凿深槽嵌补。先沿裂缝凿一条深槽，槽形根据裂缝位置和填补材料而定，然后在槽外嵌补各种粘结材料。（4）表面喷浆。喷浆修补是在经凿毛处理的裂缝表面，喷射一层密实而且强度高的水泥砂浆保护层来封闭裂缝的一种修补方法。根据裂缝位置的部位、性质和修补要求与条件，可采用无筋素喷浆，或挂网喷浆结合凿槽嵌补等修补方法。2、压力灌浆法先将结构物的裂缝或孔隙与外界封闭仅留出进浆口和排气孔，然后将配制的较低黏度地浆液通过压浆泵以一定压力将浆液压入缝隙内并使其扩散、凝胶固化，以达到恢复整体性、强度、耐久性及抗渗性的目的。（1）水泥灌浆修补法。实施灌浆前应对修补部位裂缝再仔细检查一遍，以确定修补数量、范围、钻孔眼位置及浆液数量。灌浆一般采用不低于42.5级地普通水泥，灌浆压力一般为4.05X105~6.08X105Pa，浆液浓度一般不小于1.6:1（水与水泥比重）。灌浆加压设备，在工程量较大时宜采用灌浆机、灌浆泵，也可以采用风泵加压。工程量不大时可以采用手压泵施工，工程量特小时可以采用类似打气筒等工具改制成的注射器施工。（2）化学灌浆法。灌浆材料应该具备黏结强度高、可灌性好等基本要求，一般采用环氧和甲凝两类材料。环氧灌浆是以环氧树脂为主体，它的粘结力强、稳定性好、收缩小、耐腐蚀及机械强度高，裂缝宽度在0.1mm以上时采用环氧灌浆。甲凝灌浆是以甲基丙烯酸甲酯为主体，它具有黏度低、可灌性好、抗拉强度高等特点，常用于修补裂缝宽度在0.1mm以下的细裂缝。灌浆一般采用纯压法灌浆。对于细小裂缝浆液需要较长的胶凝时间，常采用单液法灌浆。此时将所用的浆液在泵前混在有一起，用灌浆机进行灌注。对于较宽的裂缝，要求浆液胶凝时间较短，常采用双液法灌浆，此时将所用的浆分成两大部分，用灌浆机分两路送至灌浆孔口混合装置再灌入裂缝。灌浆可采用单孔或者群孔同时灌浆，但是必须留有一定数量的排气孔。当在长裂缝上同时布有几个灌浆孔时，可按照裂缝的深浅由下而上的顺序进行灌浆。当用灌浆泵灌浆时，压力一般由小到大逐步升高，达到设计压力后，再保持稳定压力，直到灌浆达到一定要求。灌浆完毕待浆液聚合固化后，即可将灌浆嘴一一拆除，并用环氧胶泥抹平。最后对每一道裂缝表面再刷一层环氧树脂水泥浆，确保封闭严实。3、黏贴钢板施工法黏贴钢板施工法是将整个钢板黏贴于待修补的裂缝位置上，使其与原有的混凝土成为整体，从而提高对荷载的抵抗力。用于黏贴的钢板厚度一般为4.5~6mm，而混凝土与钢板的粘结剂一般采用环氧基粘结剂。 （1）注入法黏贴钢板。这种方法是在混凝土表面与钢板之间加垫块等使两者之间保持一定空隙，并用环氧树脂泥封闭四周，而后从注入口注入环氧树脂，同时排出空隙中的空气。由于是从一方注入因而容易残留气泡，施工时一般用木锤随时敲打钢板来确定是否罐实。这种施工虽然费时，但即使混凝土表面不平整也可以施工。（2）压黏法黏贴钢板。这种施工方法是在混凝土表面及钢板表面涂上1~2mm厚的环氧树脂，然后利用已经固定在混凝土中的锚杆把钢板压紧在混凝土面上，随着环氧树脂被挤出，黏贴面之间的空气被排出。这种方法几乎不会残留气泡，粘结效果也好。三、结论裂缝是混凝土桥梁普遍存在的一种现象。它的出现不仅会降低桥梁的抗渗能力，影响结构物地使用功能，还会引起钢筋的锈蚀、混凝土的炭化，降低材料的耐久性，影响桥梁的承载能力。因而要对混凝土桥梁进行认真研究，采用合理方法进行处理，并在施工中采取各种有效的预防措施来处理裂缝的出现和发展，保证工程质量，避免因出现裂缝影响工程质量，导致垮塌事故发生。由于混凝土桥梁裂缝巨大潜在的危害性和可能引发的经济损失，并且其多发性、不可避免性等。混凝土桥梁裂缝的处理必须被重视。参考文献【1】申洁；桥梁裂缝成因以及预防措施探析；【期刊】现代商贸工业；2010【2】常卫峰；浅谈混凝土桥梁裂缝；【期刊】北方交通；2009【3】吕水叶；浅析混凝土桥梁裂缝的成因；【期刊】民营科技；2009【4】何岳；浅析桥梁裂缝的成因及控制措施；【期刊】科技资讯；2009【5】于伟；桥梁裂缝的原因预防措施与处理方法；《科技信息》2010年5期【6】杨勇；混凝土桥梁裂缝的成因及处理办法；《工程建设与设计》；2010年4期【7】王江华；混凝土桥梁裂缝原因分析及预防措施；《科技创新导报》；2010年12期【8】李鹏；混凝土桥梁裂缝的成因分析及预防措施；《中国科技博览》；2010年27期【9】于江波；混凝土桥梁裂缝类型、成因和控制；《四川建材》；2010年3期【10】荆丽；环氧树脂混凝土修补技术在桥梁维修中的应用；《科技信息》；2010年17期【11】Hadidi,Rambod；Transversecrackingofconcretebridgedecks:Effectsofdesignfactors；JournalofBridgeEngineering；2005【12】Wang,Boxin；Studyoncrackresistanceofsteelfiberreinforcedself-stressingconcreteinoldbridgereinforcement；KeyEngineeringMaterials；2009【13】Zeng,Qing-Xiang；Areviewofcrackpreventioninprestressedconcreteboxgirderbridges；GongchengLixue/EngineeringMechanics；2010